張　威　李開(kāi)偉　王　偉　王立文

1.中國(guó)民航大學(xué)航空工程學(xué)院，天津，300300 2.中國(guó)民航航空地面特種設(shè)備研究基地，天津，300300

0　引言

目前飛機(jī)的起飛流程是采用牽引車(chē)將飛機(jī)從停機(jī)坪或航站樓的泊位推出，牽引飛機(jī)到達(dá)滑行道端，飛機(jī)啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入滑行道，到達(dá)飛機(jī)跑道端部等待，在得到指令后，滑入跑道，開(kāi)始起飛和爬升［1-3］。在此過(guò)程中，牽引飛機(jī)所需要的時(shí)間長(zhǎng)、燃油消耗高、噪聲大且排放污染物多。同時(shí)，飛機(jī)在滑行和等待階段，發(fā)動(dòng)機(jī)工作效率低，進(jìn)而會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命［4］。為了減少運(yùn)輸成本、噪聲污染以及溫室氣體排放，人們提出逐漸向“多電飛機(jī)”直至“全電飛機(jī)”發(fā)展的計(jì)劃［5-7］。其中的一種概念是在飛機(jī)前起落架或主起落架的機(jī)輪輪轂上安裝一套電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)裝置，來(lái)代替牽引車(chē)完成飛機(jī)的推出、前行及轉(zhuǎn)彎功能，無(wú)需啟動(dòng)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)，該系統(tǒng)被稱(chēng)為飛機(jī)地面電動(dòng)滑行系統(tǒng)（electric taxiing system，ETS）［2，8］。據(jù)測(cè)算，ETS 系統(tǒng)可使每架飛機(jī)每年節(jié)約燃油費(fèi)多達(dá)20萬(wàn)美元，節(jié)省燃油130 t，節(jié)省滑行時(shí)間2 min，每次飛行班次降低4%的燃油消耗，減少75%的溫室氣體和50%的氮氧化合物排放［9］。Gibraltar-based公司首先提出了電動(dòng)滑行的概念，稱(chēng)之為“Wheel-Tug”［10］；霍尼韋爾宇航公司和賽峰公司在巴黎航展上進(jìn)行了電動(dòng)綠色滑行系統(tǒng)（electric green taxiing system，EGTS）演示，EGTS利用飛機(jī)上經(jīng)過(guò)改造后的、更大功率的輔助動(dòng)力裝置（auxiliary power unit，APU）來(lái)驅(qū)動(dòng)安裝在主起落架上的電機(jī)［11］。而在國(guó)內(nèi)，這一領(lǐng)域的研究才剛剛起步，系統(tǒng)理論研究和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還不完善。

總體來(lái)講，飛機(jī)ETS系統(tǒng)主要采用前機(jī)輪驅(qū)動(dòng)和主機(jī)輪驅(qū)動(dòng)兩種形式。HEINRICH等［12］通過(guò)計(jì)算得出，在飛機(jī)主起落架上應(yīng)用ETS能夠使用更大的牽引力來(lái)驅(qū)動(dòng)和推動(dòng)飛機(jī)滑行，主機(jī)輪最大牽引力比前機(jī)輪最大牽引力大4倍。TEO等［1］指出，考慮到飛機(jī)重心位置、跑道摩擦因數(shù)以及坡度影響，采用前機(jī)輪驅(qū)動(dòng)方案的中短途飛機(jī)比采用主機(jī)輪驅(qū)動(dòng)的飛機(jī)更難驅(qū)動(dòng)。對(duì)于電動(dòng)機(jī)輪的設(shè)計(jì)，有以下兩種：①將機(jī)輪改造設(shè)計(jì)成輪轂電機(jī)形式，內(nèi)置行星減速機(jī)構(gòu)，直接驅(qū)動(dòng)［13-15］；②安裝電機(jī)，通過(guò)減速裝置驅(qū)動(dòng)機(jī)輪，對(duì)機(jī)輪改造較小［16］。相比而言，前者比后者更復(fù)雜，對(duì)機(jī)輪改造需要更大的技術(shù)突破，且電機(jī)的可行性和電磁設(shè)計(jì)尚處于討論中［9］。

目前對(duì)飛機(jī)電動(dòng)滑行系統(tǒng)的研究主要集中在燃油消耗、成本分析和環(huán)保效益方面，而對(duì)系統(tǒng)傳動(dòng)、起落架改造及電機(jī)安裝等方面的研究甚少，因此，本文對(duì)飛機(jī)電動(dòng)滑行系統(tǒng)原理及組成展開(kāi)研究，采用主機(jī)輪驅(qū)動(dòng)，提出傳動(dòng)方案，在主起落架模型原有的基礎(chǔ)上進(jìn)行部分改造，重新設(shè)計(jì)電動(dòng)機(jī)輪驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)和安裝方式。通過(guò)建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，確定系統(tǒng)傳動(dòng)參數(shù)，并選用永磁同步電動(dòng)機(jī)，以空間矢量控制技術(shù)為基礎(chǔ)，建立MATLAB/Simulink仿真模型，分析驗(yàn)證系統(tǒng)的滑行性能。

1　飛機(jī)ETS系統(tǒng)組成及傳動(dòng)設(shè)計(jì)

1.1　ETS系統(tǒng)組成

飛機(jī)電動(dòng)滑行系統(tǒng)（ETS）的組成主要包括：ETS控制器，飛行員交互式控制單元，驅(qū)動(dòng)輪，功率轉(zhuǎn)換器，APU發(fā)電機(jī)。飛行員在駕駛艙內(nèi)啟動(dòng)APU，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)給系統(tǒng)供電。然后啟動(dòng)ETS系統(tǒng)，飛行員將ETS系統(tǒng)控制手柄置于前進(jìn)或后退擋位，即向ETS系統(tǒng)控制中心下達(dá)指令，控制中心將指令轉(zhuǎn)化成相應(yīng)電子信號(hào)，傳遞給電機(jī)控制器。電機(jī)控制器通過(guò)變頻和逆變器，控制主起落架上的驅(qū)動(dòng)電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，再通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將運(yùn)動(dòng)和力傳遞到機(jī)輪，控制機(jī)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)飛機(jī)向前或向后滑行。此外，機(jī)輪上裝有傳感器，可實(shí)時(shí)反饋機(jī)輪上作用的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩［17-19］。ETS系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)框圖見(jiàn)圖1。

1.2　ETS系統(tǒng)主起落架改造

在保證主起落架主體結(jié)構(gòu)不變的情況下，遵循精簡(jiǎn)有效原則，對(duì)主起落架進(jìn)行部分改造。飛機(jī)ETS系統(tǒng)的電機(jī)及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)安裝在主起落架兩個(gè)機(jī)輪之間，電機(jī)通過(guò)一行星輪減速器與外側(cè)機(jī)輪連接；行星輪減速器中心懸掛安裝在機(jī)輪軸上，輸入端與電機(jī)軸齒輪嚙合，輸出端與機(jī)輪軸同心；機(jī)輪輪轂上布置法蘭，其余液壓剎車(chē)系統(tǒng)不變。電動(dòng)機(jī)輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)原理見(jiàn)圖2，主起落架電動(dòng)機(jī)輪模型見(jiàn)圖3。

圖1　飛機(jī)地面電動(dòng)滑行系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)框圖Fig.1　Aircraft ETSblock diagram

圖2　電動(dòng)機(jī)輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)原理簡(jiǎn)圖Fig.2　Electric wheel transmission structure diagram

圖3　飛機(jī)主起落架電動(dòng)機(jī)輪模型Fig.3　Aircraft main landing gear electric wheel model

通常飛機(jī)在機(jī)場(chǎng)跑道即將起飛或剛著陸時(shí)，飛機(jī)時(shí)速可達(dá)200 km/h［5］。為了避免ETS傳動(dòng)機(jī)構(gòu)受到損害，需在電機(jī)和機(jī)輪輪轂間加裝一離合器。離合器在機(jī)輪高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，將電機(jī)與機(jī)輪分開(kāi)，起到保護(hù)作用。

2　飛機(jī)ETS系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型設(shè)計(jì)

2.1　飛機(jī)地面滑行最小牽引力

當(dāng)飛機(jī)從停機(jī)坪向跑道滑行時(shí)，輪胎表面會(huì)受到路面滾動(dòng)摩擦力影響。為保證飛機(jī)順利滑行，飛機(jī)牽引力必須要大于滾動(dòng)摩擦力，故飛機(jī)地面滑行最小牽引力［12］

式中，crr為飛機(jī)輪胎與干燥混凝土路面滾動(dòng)摩擦因數(shù)；m為飛機(jī)最大起飛質(zhì)量和加裝電機(jī)裝置后的質(zhì)量之和；g為重力加速度。

2.2　飛機(jī)地面滑行最大牽引力

飛機(jī)滑行時(shí)牽引力還必須要小于地面附著力，否則輪胎會(huì)打滑，影響飛機(jī)滑行安全，故整個(gè)主起落架上機(jī)輪滑行最大牽引力［12］

式中，wd為飛機(jī)主起落架質(zhì)量分布因數(shù)；μ為輪胎與跑道地面的最大靜摩擦因數(shù)。

2.3　飛機(jī)地面滑行受力分析

研究飛機(jī)在地面滑行時(shí)的受力情況，可以類(lèi)比汽車(chē)動(dòng)力學(xué)分析模型［13］。假設(shè)飛機(jī)在機(jī)場(chǎng)干燥混凝土跑道地面向前滑行，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)處于關(guān)閉狀態(tài)，只受到飛機(jī)縱向的空氣阻力，橫向受力不計(jì)，則飛機(jī)受力情況見(jiàn)圖4［20］。

圖4　飛機(jī)在跑道地面滑行受力情況Fig.4　Forces acting on an aircraft taxiing

飛機(jī)地面滑行水平方向的力平衡方程為

式中,Ftr為飛機(jī)滑行方向驅(qū)動(dòng)力；FD為飛機(jī)滑行時(shí)所受空氣阻力；Frr為滾動(dòng)摩擦力；Nn和Nm分別為前機(jī)輪和主機(jī)輪支反力；x?為航向加速度；δ為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量因數(shù)；α為跑道地面坡度角；ρa(bǔ)ir為飛機(jī)滑行時(shí)周?chē)目諝饷芏龋籄ref為飛機(jī)迎風(fēng)面積；cD為阻力系數(shù)；v為飛機(jī)地面滑行速度。

航向垂直方向的力平衡方程為

式中，a、b分別為飛機(jī)航向水平方向上前起落架和主起落架距重心距離；h為飛機(jī)重心高度。

2.4　機(jī)輪轉(zhuǎn)矩與系統(tǒng)功率

飛機(jī)滑行時(shí)主起落架上機(jī)輪轉(zhuǎn)矩

式中，TW為單個(gè)機(jī)輪最大輸入轉(zhuǎn)矩；TM為單個(gè)電機(jī)最大輸出轉(zhuǎn)矩；r為主起落架上機(jī)輪輪轂半徑；k為電機(jī)與機(jī)輪間減速器傳動(dòng)比。

式中，PETS為ETS系統(tǒng)輸出功率；PM為電機(jī)最大輸出功率；PES為ETS系統(tǒng)能源最大輸出功率；n為主起落架上電機(jī)數(shù)目；ηGB為電機(jī)與機(jī)輪間減速器傳動(dòng)效率；ηMI為電機(jī)控制器工作效率。

電機(jī)轉(zhuǎn)速和機(jī)輪轉(zhuǎn)速分別為

3　主起落架電動(dòng)滑行系統(tǒng)建模仿真

系統(tǒng)仿真中選擇空客A 321飛機(jī)為仿真對(duì)象，查閱相關(guān)資料［21-22］，ETS系統(tǒng)仿真數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1　ETS系統(tǒng)仿真數(shù)據(jù)Tab.1　ETSSimulation data

本系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的表貼式永磁同步電動(dòng)機(jī)（PMSM）作為動(dòng)力源，經(jīng)坐標(biāo)變換、空間矢量脈寬調(diào)制、三相正弦電壓逆變以及電機(jī)檢測(cè)反饋等環(huán)節(jié)進(jìn)行控制［23-24］，其控制結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5。圖5中，d、q、α、β、a、b、c均為電機(jī)矢量控制的計(jì)算變量。

圖5　PMSM矢量控制結(jié)構(gòu)模型Fig.5　PMSM vector control structure model

雙電機(jī)采用獨(dú)立驅(qū)動(dòng)［25］，建立MATLAB/Simulink仿真模型，見(jiàn)圖6。

在圖6系統(tǒng)仿真中，考慮電機(jī)轉(zhuǎn)矩變化引起的機(jī)械特性影響，系統(tǒng)模型轉(zhuǎn)矩輸入值的最小值是通過(guò)加速踏板輸入系統(tǒng)期望轉(zhuǎn)矩值與電機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的的極限轉(zhuǎn)矩值比較得出。其中，加速踏板所對(duì)應(yīng)的期望轉(zhuǎn)矩值為加速踏板輸入量值與電機(jī)極限轉(zhuǎn)矩值的乘積，系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩輸入控制框圖見(jiàn)圖7。

圖6　飛機(jī)地面電動(dòng)滑行系統(tǒng)仿真模型Fig.6　Aircraft ETSSimulink simulation model

圖7　系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩輸入控制Fig.7　System torque input control

另外，飛機(jī)地面電動(dòng)滑行系統(tǒng)主起落架上的動(dòng)力由行星輪和齒輪組成的減速器傳遞，飛機(jī)滑行動(dòng)力學(xué)仿真模型見(jiàn)圖8。

圖8　飛機(jī)ETS系統(tǒng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真模型Fig.8　Aircraft ETStransmission mechanism dynamics simulation model

飛機(jī)地面電動(dòng)滑行系統(tǒng)模型中的輸入信號(hào)為ap，其數(shù)值介于0和1之間，表示飛行員加速踏板位置深度，通過(guò)改變ap的不同數(shù)值來(lái)控制輸入轉(zhuǎn)矩和電壓大小。仿真過(guò)程中的飛機(jī)質(zhì)量考慮飛機(jī)最大起飛質(zhì)量和額外增加的電機(jī)質(zhì)量，中間通過(guò)行星輪系減速器將動(dòng)力傳遞到機(jī)輪，從而使飛機(jī)滑行。圖9～圖12分別為當(dāng)飛機(jī)加速踏板位置輸入ap為 0.4、0.5、0.7、0.8時(shí)，飛機(jī)滑行速度、電機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)轉(zhuǎn)矩及機(jī)輪轉(zhuǎn)矩的仿真結(jié)果。

圖9　飛機(jī)滑行速度仿真結(jié)果Fig.9　Simulation results of aircraft taxiing velocity

圖10　電機(jī)轉(zhuǎn)速仿真結(jié)果Fig.10　Simulation results of motor speed

圖11　電機(jī)轉(zhuǎn)矩仿真結(jié)果Fig.11　Simulation results of motor torque

4　結(jié)果分析

從仿真結(jié)果可以看出，圖9和圖10中飛機(jī)由2個(gè)主起落架上的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，滑行速度從0逐步增大并趨于平穩(wěn)，2個(gè)永磁同步電機(jī)由于物理參數(shù)相同，且假設(shè)飛機(jī)做直線行駛，故其轉(zhuǎn)速曲線變化相同，與飛機(jī)滑行速度曲線總體變化趨勢(shì)一致；圖11和圖12中飛機(jī)在靜止啟動(dòng)時(shí)，電機(jī)和機(jī)輪啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩達(dá)到最大值，之后隨著飛機(jī)滑行速度的增大而逐漸減小，符合電機(jī)的機(jī)械特性曲線變化規(guī)律。在4個(gè)不同踏板位置輸入量參數(shù)中，飛機(jī)滑行速度、電機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)轉(zhuǎn)矩及機(jī)輪轉(zhuǎn)矩的變化規(guī)律一致，加速踏板位置輸入增大，飛機(jī)最大滑行速度也相應(yīng)增大，類(lèi)似于電動(dòng)汽車(chē)的滑行性能。在90 s內(nèi)，當(dāng)ap=0.8時(shí)，飛機(jī)加速完成后的最終滑行速度為33.6 km/h；當(dāng)ap=0.7時(shí)，飛機(jī)最終滑行速度為31.9 km/h；當(dāng)ap=0.5時(shí)，飛機(jī)最終滑行速度為25.3 km/h；當(dāng)ap=0.4時(shí)，飛機(jī)最終滑行速度為22.7 km/h；這表明本研究設(shè)計(jì)的模型能根據(jù)飛行員控制不同的加速踏板位置，從而控制飛機(jī)的滑行速度，系統(tǒng)操作合理?？紤]到大型機(jī)場(chǎng)具有很長(zhǎng)的滑行距離，應(yīng)用電動(dòng)滑行系統(tǒng)的主要問(wèn)題之一是滑行速度小，將會(huì)引起后面飛機(jī)的長(zhǎng)時(shí)間等待，進(jìn)而引起飛機(jī)延誤或錯(cuò)過(guò)起飛時(shí)點(diǎn)。另外，WheelTug系統(tǒng)飛機(jī)的最大滑行速度為18.5 km/h，EGTS系統(tǒng)飛機(jī)的最大滑行速度為37 km/h［8］，相比而言，本研究模型的滑行速度能滿(mǎn)足機(jī)場(chǎng)要求。

圖12　機(jī)輪轉(zhuǎn)矩仿真結(jié)果Fig.12　Simulation results of wheel torque

5　結(jié)語(yǔ)

飛機(jī)地面電動(dòng)滑行的應(yīng)用能最大程度減少飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)在地面的使用時(shí)間，減少尾氣排放和燃油消耗，以及減少大量噪聲對(duì)機(jī)場(chǎng)方面的影響，對(duì)發(fā)展民用和軍用“多電飛機(jī)”乃至“全電飛機(jī)”都具有一定意義。本文通過(guò)對(duì)飛機(jī)地面電動(dòng)滑行系統(tǒng)原理及組成進(jìn)行分析，針對(duì)電動(dòng)機(jī)輪的設(shè)計(jì)，提出飛機(jī)主起落架改造方案，建立電動(dòng)滑行系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，并對(duì)系統(tǒng)滑行性能進(jìn)行仿真分析。仿真結(jié)果符合實(shí)際需求，傳動(dòng)方案理論上合理可行。飛機(jī)電動(dòng)機(jī)輪的設(shè)計(jì)是在主起落架原有基礎(chǔ)上，加裝一套電傳動(dòng)裝置，保證了主起落架結(jié)構(gòu)的完整性，為實(shí)現(xiàn)飛機(jī)電動(dòng)滑行提供新的方案。另外，也為成本效益分析、能源供應(yīng)以及再生能量效率分析等相關(guān)后續(xù)研究打下基礎(chǔ)。